基于区块链的食品质量安全追溯应用研究

唐 松,王志强,马艳东

(1.河北省科学院应用数学研究所, 河北 石家庄 050081;2.河北省信息安全认证工程技术研究中心，河北 石家庄 050081;3.巨鹿县应用技术研究院, 河北 巨鹿 055250)

0 引言

食品安全关系到人民群众的身体健康,生命安全。随着市场经济的快速发展，食品多样性不断增加，与此同时食品安全问题也逐渐暴露。提高对食品安全监管的水平已成为国家的重要目标，也是市场监管部门的首要任务。伴随着信息技术的飞速发展，全球主要国家纷纷将眼光瞄准5G、大数据、云计算、物联网、区块链等战略新兴技术，将数字经济视为实现经济复苏和可持续发展的关键抓手[1]。大数据、区块链、数字孪生等新技术在各行业中不断得到试用和推广，也给食品安全监管和追溯带来了新思路。《中华人民共和国食品安全法实施条例》中明确了食品安全追溯的基本要求和食品安全有关部门的基本职责，并提出了食品生产企业可以通过提高信息技术建立和完善食品追溯体系[2]。各地市也相继出台了要求加快推进重要产品追溯体系建设实施方案的通知[3]。习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调：要探索“区块链+”在民生领域的运用，积极推动区块链技术在教育、商品防伪、食品安全等领域的应用，为人民群众提供更加智能、便捷、优质的公共服务[4]。

1 研究现状

近年来食品安全事件频发，国内瘦肉精、大米镉超标[5]，国外禽流感、疯牛病[6]等一系列的质量安全问题引发了消费者信任危机，自2015年《中华人民共和国食品安全法》修订开始，中央政府对食品追踪溯源系统的重视程度不断提高[7]，多次发文强调建设追溯系统，所涉及追溯对象集中在农产品(包括肉类、蔬菜、水果等)、食品(包括茶叶、乳品、酒类产品与保健食品)、药品(包括中药材)等[8]。

近年来，我国科研人员对区块链技术在食品溯源领域中应用开展了研究。如于坚、孙嘉笛等人研究了利用区块链进行常见食品、药食两用食品行业溯源体系建设的方法，并探索区块链技术在促进食品溯源体系建设方面更深层的作用[9]。王虹、杨旭等人研究通过区块链构建从农田到餐桌的大米全产业链质量全息数据库，建立低成本高效率、多中心化、信息可靠的执行环境，以实现食品质量安全的高效管控[10]。于合龙、陈邦越等人通过研究使用区块链技术在水稻供应链在追溯过程中进行数据共享时如何对隐私数据进行保护的问题，建立了以联盟区块链为基础的水稻供应链信息保护模型[11]。

国外研究人员对区块链技术应用于溯源领域的研究起步早，2016年6月荷兰国家应用科学研究院联合一些其他机构共同组建了联盟区块链，成为世界首个针对供应链和溯源搭建的案例[12]。Tsang等人提出了将区块链技术与物联网技术相结合，为食品安全追溯系统提供技术支撑，并设计了新的共识算法，结合物联网和区块链，使得食品信息更容易采集，提高了溯源查询的效率[13]。Giovanni Mirabellia与Vittorio Solina结合食品可追溯性问题，研究在农产品领域如何应用区块链溯源技术[14]。IBM公司利用区块链建立数字区块链海鲜食品溯源链，以及在Fishcoin平台上建立了海鲜食品供应链上的区块链溯源技术研究[15]。

2 区块链技术在追溯领域应用优势

传统食品质量安全监管和追溯技术重点是对食品的生产、加工用料和环境进行控制，以保证在整个生产过程中食品免受可能发生的化学、生物、物理因素的危害，在生产过程中把可能发生的危害消除。随着新型信息技术的发展，大数据、区块链、物联网等新技术的出现为食品质量安全从生产到消费的全程供应链追踪成为可能。通过云服务平台，加强数据治理，通过区块链技术打造数据分布式存储的账本，达到数据流动可追溯、数据安全有保证的诚信的数据交易环境[1]。

区块链技术的分布式共识存储结构、基于PKI (Public Key Infrastructure) 的成员管理以及经过数字签名后难以篡改的Merkle Tree(默克尔树)等技术，具有多中心、防篡改、抗抵赖、可追溯等特性，使其能弥补传统追溯技术的局限性。

(1)防篡改：通过采集和跟踪食品从生产到消费的各环节数据,构建基于区块链的食品质量安全溯源信息共享平台，利用存入区块链平台后不可修改特性，可对那些在流通过程中出现的问题进行固化，防篡改，事后进行回溯监控。

(2)多中心：利用其多中心特性，链接食品仓储物流平台、经销商、分销商、零售商、监管机构等个参与方，构建多方信任、不可篡改的区块链溯源平台，能够准确、快速地，从而实现追溯透明化以便及时找出问题食品根源并采取有效措施。

(3)抗抵赖：以联盟区块链为基础,将食品基础数据、进销存记录、检验报告和按时间戳标记的索证索票信息都存入区块链平台上，且不能修改，利用其抗抵赖、可追溯特性明确相关主体责任，实现食品质量安全的完整追溯。

因此，研究区块链技术在食品质量安全追溯领域的应用，采用模块化开发，通过对敏感数据的加密定向授权，记录食品进进销存、检验等信息。全面实现食品质量安全追溯，确保食品源头可溯、去向可追、风险可控，是本文研究的重要出发点。

3 基于区块链的食品质量安全追溯系统设计与实现

在综合参考国内外研究方向和成果的基础上，结合国内的实际情况，构建了基于区块链的食品质量安全追溯系统，利用区块链多中心、防篡改、抗抵赖、可追溯等特点，有效构建政府监管部门、企业主体、第三方检测机构等的联盟区块链，解决多方参与信任传递的问题。引入隐私计算，保护了数据安全，避免了泄露供货渠道等商业机密。使用支持拜占庭容错的PBFT (Practical Byzantine Fault Tolerance) 共识算法，进行信用创造，通过联盟区块链网络中多方参与，带来更多的数据信任背书。

3.1 系统分层架构

区块链食品质量安全追溯系统是基于联盟链技术，并以我国完全自主知识产权的Fisco Bcos区块链底层为框架，设计的追溯系统信息安全可靠。基于PKI (Public Key Infrastructure) 的证书管理体系，使系统具有高度的安全性、防篡改、分布式共识存储、一致性和稳定性，满足在监管部门、第三方检测机构、食品企业之间的信息共享、互相监督、相互背书。

如图1所示，基于Fisco Bcos联盟区块链技术的食品质量安全追溯系统架构可分为5层，自下而上分别是：存储层、核心层、服务层、接口层和应用层。

图1 基于Fisco Bcos 食品质量安全追溯系统架构图

(1)存储层。为了保证存储效率，存储层将查询和交易模块进行了分离，分为区块链数据存储和状态数据存储。状态数据存储在NoSql数据库CouchDB中，从而提升读写效率，联盟区块链网络各个节点的CouchDB一起构成状态数据库。CouchDB可在监管部门、第三方检测机构、食品企业各节点进行分布式存储，再通过PBFT共识算法同步，保证网络各节点数据的最终一致性。

(2)核心层。核心层主要包含共识节点管理模块、区块链管理模块、区块/交易执行引擎、共识算法模块、区块同步模块、P2P (peer to peer lending) 通信模块。核心层保证区块链数据共识和同步的正常运行，其主要由区块链中的共识节点及观察节点组成。

(3)服务层。服务层中智能合约的链代码由solidity语言编写，负责与区块链账本交互，通过智能合约进行数据更新和查询操作，在合约通过测试后，采用部署指令发布到链上，经过共识算法确认后，合约生效并被后续的交易调用。此外，食品质量安全追溯系统证书管理体系CA进行权限验证，通过证书颁发与验证，完成节点的身份认证，以保证操作安全可靠。

(4)接口层。接口层面向区块链用户，提供应用层对区块链底层数据的读写操作，接口层主要通过调用JAVA SDK、多种协议的RPC接口、交互式控制台对系统中链码进行升级、部署、调用的相关操作。

(5)应用层。应用层主要包括食品元数据管理模块，食品流通追溯模块、食品质量安全管理模块以及消费者查询模块。该系统采用前后端分离设计，前端主要完成功能展示和与用户交互，前后端通信采用JSON (RFC 4627)作为数据格式。

3.2 联盟链的成员管理设计

由于数据隐私性要求，本文选择联盟区块链来构建食品质量安全追溯系统，区块链网络中组员节点管理分为游离节点、观察者节点和共识节点，通过控制台可以将这三种类型节点可相互转换，新成员的加入和权限修改需要其他成员的同意。

共识节点：能够参与到共识流程的节点，拥有联盟区块链内所有数据。

观察者节点：不能参与共识留，但能实时同步链上数据的节点。

游离节点：已启动，待等待加入群组的节点，处在一种暂时的节点状态，不能获取链上的数据。

该平台联盟链主要由监管机构、第三方检测机构、物流企业、食品生产企业、销售企业及消费者之间的节点构成，节点间通过RPC协议进行通讯，按PBFT共识算法达成共识，实现数据交互同步。

3.3 区块链智能合约设计

智能合约为去中心化应用实现成为可能，该平台智能合约语言与以太坊相同选择Solidity编译实现，使用KVTable合约的读写接口CRUD(Create, Read, Update, Delete)，通过在Solidity合约中支持分布式存储预编译合约，实现区块链的数据存储以及AMDB存储世界状态信息，实现合约逻辑与数据分离[16]。

系统的智能合约运行在EVM虚拟机，虚拟机在强调安全性、事务性和一致性的区块链系统里，具有沙盒特征，可以屏蔽硬件运行环境影响而导致的不确定性因素，抵御系统中恶意代码攻击的同时，保证同一个交易在不同物理主机上执行结果一致性，执行过程是安全的。

节点在收到打包的区块数据后，首先会调用区块验证模块从打包的区块中把交易分别取出，然后执行引擎把交易交给EVM虚拟机执行，进行模拟执行，交互过程如图2所示。

图2 Fisco Bcos智能合约执行流程图

4 结束语

该系统是建立一个基于联盟区块链的食品质量安全信息溯源一体化平台，整合贯通生产、流通、终端消费者等环节，支持消费者验真、监管部门监管。依托区块链技术，探索创新食品质量安全追溯体系的构建，从而提升监管的信息化、规范化水平。本系统虽然充分利用区块链新型信息化手段，将食品全产业链数据实现了防篡改、可追溯，但是，上链后的数据管理功能还有待于完善，后续可以考虑引入数据挖掘方法，应用到对食品安全风险的分析上，可以更有效的从已有食品质量安全追溯数据中发掘有用信息。